Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных типов осветительных приборов являются ртутные дуговые лампы высокого давления, долговечность которых в значительной степени определяется стабильностью эмиссионных свойств их электродов. Для улучшения эффективности работы таких ламп разработаны спеченные электроды, представляющие собой вольфрамовый стержень (керн), на который напрессована в виде цилиндра спеченная масса (смесь порошков вольфрама и эмиссионного вещества, состоящего из оксидов щелочноземельных металлов, в частности, оксида бария).
Колба ртутной лампы в отключенном от сети состоянии при комнатной температуре содержит аргон, давление которого имеет порядок 103 Па, и небольшое количество паров ртути с парциальным давлением около 0,1 Па. При подаче на её электроды напряжения, превышающего некоторое минимальное значение, называемое напряжением зажигания разряда, происходит пробой межэлектродного промежутка и в лампе возникает тлеющий разряд. После этого, в результате бомбардировки электродов частицами плазмы, происходит их разогрев до температуры 1500–2000 К и разряд переходит в дуговой. Затем, в результате постепенного нагрева газа в разрядной колбе, испаряется вся находящаяся в ней ртуть, давление газа возрастает до величины порядка 105 Па и лампа переходит в стационарный режим работы.
Эмиссия электронов в дуговом разряде имеет термическую природу и зависит от распределения температуры по поверхности электрода, определяемого процессами его нагрева бомбардировкой электронами и ионами, поступающими из плазмы разряда, и охлаждения за счет теплопередачи. При нагреве спеченной массы электрода происходит испарение атомов эмиссионного вещества с её поверхности, их перенос в рабочем газе и переосаждение на границах разрядного объема, в том числе на торце керна электрода, на который обычно горит разряд. Это снижает его работу выхода и приводит к уменьшению рабочей температуры электрода. Напыление же эмиссионного вещества на стенку кварцевой колбы ухудшает её прозрачность.
Для увеличения срока службы и оптимизации рабочих характеристик ламп со спеченными электродами необходимо детальное изучение физических процессов, происходящих на поверхности электродов и в разрядном объеме. Их экспериментальное исследование затрудняется тем, что разряд горит внутри запаянной кварцевой колбы достаточно малого размера, давление паров ртути в которой достигает атмосферного, а рабочая газовая смесь и электроды разогреваются до высокой температуры. Поэтому важное значение для понимания механизмов взаимодействия поверхности электродов с газоразрядной плазмой имеет математическое моделирование. Оно осуществлялось как аналитическими, так и численными методами в ряде работ, однако в них, как правило, рассматривался разряд в чистом газе между электродами в виде металлических стержней. Конструкция же реальных электродов включает элементы, изготовленные из разных материалов, их форма является более сложной, а разрядный объем заполнен смесью аргона с парами ртути, взаимодействие компонент которой оказывает существенное влияние на характеристики разряда.
Следовательно, задача теоретического изучения физических процессов, протекающих на поверхности спеченных электродов дуговых ламп высокого давления, является важной и актуальной.
Целью диссертационной работы являлось исследование процессов тепло- и массопереноса на поверхности спеченных электродов и в объеме разрядной колбы ртутной дуговой лампы высокого давления. В частности, решались следующие задачи:
– разработка математических моделей исследуемых процессов;
– изучение влияния эмиссионных свойств электродов и состава газовой смеси на ионизацию газа у поверхности электрода;
– расчет теплового баланса электродов в зависимости от размеров их элементов и параметров разряда;
– установление особенностей переноса в разрядном объеме и переосаждения на его границах эмиссионного вещества электродов в различных режимах работы лампы.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач с использованием классических уравнений математической физики, применением для их решения теоретически обоснованных численных методов, а также согласием результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.
Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы впервые получены следующие результаты:
1. Разработана модель, описывающая перенос заряженных и возбужденных частиц в приэлектродном слое тлеющего разряда в смеси аргон–ртуть с учетом основных типов межчастичных взаимодействий и установлено, что увеличение ионизационного коэффициента в ней по сравнению с чистым аргоном обусловлено главным образом ионизацией атомов ртути метастабилями аргона (реакция Пеннинга). Изучена зависимость напряжения зажигания разряда в лампе от эмиссионных свойств электродов и найдено минимальное значение их коэффициента ионно-электронной эмиссии, обеспечивающее зажигание разряда в лампе при её работе в условиях низких температур и нестабильности напряжения в питающей сети.
2. Исследована динамика переноса тепла в объеме спеченных электродов с учетом температурных зависимостей теплофизических характеристик их материалов, рассчитан тепловой баланс электрода, а также найден вклад в него различных механизмов теплопередачи.
3. Построена модель переноса в разрядном объеме и переосаждения на его границах эмиссионного вещества, испаряемого с поверхности спеченной массы электрода, и показано, что основная его часть покидает электрод на этапе разогрева лампы.
4. Установлено, что плотность потока атомов эмиссионного вещества из разрядного объема на поверхность торца керна электрода, на которую горит разряд, значительно превосходит их диффузионный поток по его боковой поверхности, т.е. основным механизмом переноса атомов эмиссионного вещества со спеченной массы на торец керна является их испарение и диффузия в рабочем газе.
Практическая ценность работы. Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, вносят существенный вклад в понимание процессов взаимодействия поверхности спеченных электродов с плазмой разряда в газовой смеси аргон–ртуть и могут быть использованы для:
– изучения зависимости напряжения зажигания разряда в лампе от материала электродов и температуры окружающей среды;
– выбора конструкции электродов, обеспечивающей оптимальный тепловой режим их работы, стабильность эмиссионных свойств и повышенную долговечность;
– определения относительных размеров элементов электрода, обеспечивающих наиболее эффективный перенос эмиссионного вещества со спеченной массы на торец его керна.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные математические модели переноса заряженных и возбужденных частиц в приэлектродном слое разряда в газовой смеси аргон–ртуть, а тепла и эмиссионного вещества спеченных электродов – на их поверхности и в объеме разрядной колбы ртутной дуговой лампы высокого давления.
2. Рассчитанные зависимости напряжения зажигания разряда в ртутной дуговой лампе от эмиссионных свойств электродов и состава газовой смеси.
3. Результаты исследования теплового баланса спеченных электродов и найденный вклад в него различных механизмов теплопередачи.
4. Вычисленные значения плотности потока эмиссионного вещества, осаждающегося на стенке разрядной колбы и торце керна электрода на этапе зажигания и в установившемся режиме работы лампы. Вывод о том, что основным механизмом переноса атомов эмиссионного вещества со спеченной массы на рабочий торец керна электрода является их испарение и диффузия в рабочем газе.
Личный вклад автора. Автор лично участвовал в постановке задач и разработке алгоритмов их численного решения, выполнил программную реализацию построенных математических моделей, провел расчеты и обработку полученных результатов, а также принимал участие в их анализе.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на 16 всероссийских и международных конференциях, симпозиумах и совещаниях, в том числе: XI и XII Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001, 2002), Международных научно-технических конференциях «Приборостроение» (Винница–Симеиз, 2001, Винница–Алупка, 2002, Винница–Кореиз, 2003), XXXI и XXXVI Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2001, 2006), XVI, XVII и XIX Международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2003, 2005, 2009), The Sixth Sino-Russian International Symposium on New Materials and Technologies (Beijing, China, 2001), VIII European Vacuum Congress (Berlin, Germany, 2003), 35 IEEE International Conference on Plasma Science (Karlsruhe, Germany, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК по физике (Известия РАН. Серия физическая, Vacuum, Наукоемкие технологии). Список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 109 наименований и 3 приложений. Её общий объем составляет 168 страниц, включая 42 рисунка.
Похожие диссертации на Исследование процессов тепло- и массопереноса на поверхности спеченных электродов в ртутных дуговых лампах высокого давления
